海洋乳化溢油的偏振光学特性及演化规律研究

Emulsified oil spills possess a high proportion in the total amount of oil spilled into the ocean, and represent an important existing form of marine oil spills. The characters and properties of original oil spills were significantly changed during the process of emulsification, which causes great difficulties to detection and identification of the pollutants. Laser induced fluorescence technique seems to be an ideal solution to solve this problem, and with the help of polarization optical properties of both the laser echo as well as the induced fluorescence, more structural and compositional information of the target can be acquired. In this subject, the type and process of emulsification are studied by means of polarization optical detection. And the marine emulsified oil spills characteristic database is established based on polarization optical properties to promote the abilities to detect and identify emulsified oil spills. The main research contents include: 1) Research of polarization optical properties of W/O emulsion; 2) Research of polarization optical properties of O/W emulsion; 3) Establishment of emulsified oil spills characteristic database based on polarization optical properties.

乳化溢油在海洋溢油总量中所占的比重很高，是海洋溢油的一种重要存在形态，而乳化过程显著改变了原始溢油的性质和形态，给污染物探测识别带来很大难度。激光诱导荧光技术是解决这一难题的理想选择，而利用激光回波和诱导荧光的偏振光学特性，可以获取目标物更加丰富的结构和组分信息。本课题拟采用偏振光学探测手段对海洋溢油的乳化类型和乳化过程进行研究，建立基于偏振光学特性的海洋乳化溢油特征数据库，以提高乳化溢油的探测识别能力。主要研究内容包括：1）“油包水”型乳化物的偏振光学特性研究；2）“水包油”型乳化物的偏振光学特性研究；3）建立基于偏振光学特性的乳化溢油特征数据库。

近年来，随着全球范围内石油海运数量的持续增长和海洋油气资源开发规模的不断扩大，海洋重特大溢油事故频发，对海洋生态环境构成严重威胁。在目前海洋溢油监测手段中，基于激光诱导荧光技术的海洋激光荧光雷达是最具发展前景的一种。然而在针对海洋溢油这种成分复杂、光谱特征多变的混合物进行探测时，由于不同荧光组分光谱响应的非线性叠加，导致荧光光谱缺乏清晰明确的光谱特征，而自然水体中的CDOM、叶绿素等常见荧光活性物质也会对海洋溢油荧光探测造成干扰和影响。石油进入海洋环境后，受风浪、海流等因素持续影响，会吸收大量海水并发生乳化凝聚，形成溢油乳化物。乳化过程显著改变了原始溢油的性质和状态，给污染物的激光诱导荧光探测识别又增加了极大难度。针对上述问题，本项目从“自然水体本底荧光干扰排除”和“提高针对不同类型溢油乳化物分类能力”两方面入手，围绕海洋溢油激光诱导荧光光谱偏振特性开展了一系列实验研究。研究结果表明，当采用线偏振光作为激发源时，自然水体中的CDOM和叶绿素等荧光干扰物质发出的荧光均没有偏振性质，而模拟溢油样品以及不同类型的溢油乳化物受激发射的荧光都具有比较显著的偏振特性，且即使是产自相同油田相邻井区的原油样品，彼此间在荧光光谱退偏系数、正交偏振度以及偏振度随波长的响应性质方面也都存在着明显差异；不同类型溢油污染物在线偏振光激发下的诱导荧光光谱正交偏振特性及彼此间差异最显著；采用相同溢油样品制备的“油包水”和“水包油”型乳化物诱导荧光的正交偏振特性差异明显，其中，“油包水”型乳化物随含水率的增高，其荧光正交偏振度逐渐增大，且明显超过初始原油样品，而“水包油”型乳化物随浓度降低，荧光正交偏振性质逐渐减弱。因此，基于本项目的研究成果，可以赋予海洋溢油激光荧光传感器根据荧光回波信号的偏振性质判断待测目标物是否为溢油污染物，污染物类型状态以及乳化类型的能力。